哥白尼照這種理論教了三年以後，越來越懷疑了。早在2000年以前，古希臘哲學家畢達哥拉斯就同亞裏斯多德進行過辯論。他指出，宇宙的中心不是地球而是太陽，地球隻是環繞太陽運行的星星之一。哥白尼被畢達哥拉斯的說法深深吸引住了。於是，他毅然放棄了羅馬大學的教授席位，回到波蘭，在弗洛恩堡大教堂擔任教士。從此，他獲得了比較充裕的時間來從事科學研究活動。
在教堂西北角的圍牆上，有一座小小的閣樓。哥白尼為了研究工作的方便，就選定閣樓做宿舍，並在那裏設置了一個小小的天文台，用自製的簡陋儀器，堅持觀察天體30餘年。他所著的《天體運行論》一書中，選用了27個觀測事例，其中25個就是他在這個閣樓上親自觀察記錄下來的。
《天體運行論》是一部長達六卷的巨著。在這部書裏，哥白尼大膽地指出：太陽是宇宙的中心，所有行星都圍繞太陽運轉；人們每天看到太陽由東向西運行，是因為地球每晝夜自轉一周的緣故，而不是太陽在移動；同樣，天上的星體看上去在不斷移動，也是因為地球本身在轉動，而不是星體圍繞著靜止的地球轉動。
“在所有這些行星中間，太陽傲然坐鎮，在這個最美麗的廟堂中，我們難道還能把這個發光體放到其它什麼更恰當的位置上使它同時普照全體嗎？人們正確地把太陽最稱為‘巨燈’、‘智慧’、‘宇宙之王’……太陽就這樣高踞王位之上，統治著圍繞膝下的子女一般的眾行星。”
哥白尼在他的《天體運行論》中用這段優美的文字生動形象地勾勒出了太陽在“宇宙”（更科學地說，應是在“太陽係”）的地位，創立了“日心說”。
盡管由於時代的局限，哥白尼的日心說把太陽當作宇宙的中心，看作是靜止不動的天體，是錯誤的，而且也沒有超出天體沿正圓軌道作勻速運動的傳統觀念。但是他的《天體運動論》，推翻了1400多年占統治地位的地心說，描繪出了一幅太陽係的真實圖景，為近代天文學奠定了基礎，並從根本動搖了歐洲中世紀宗教神學的基礎，將科學從神學的桎梏中解放出來。
隨著自然科學的發展，哥白尼學說的不足之處不斷得到修正，其中最有成就的是德國科學家開普勒。開普勒突破傳統觀念的束縛，通過分析歸納得出行星運動三定律。
哥白尼的書籍印數不多，加上教會誣蔑攻擊，他的學說流傳不廣。直到1600年布魯諾獻身，死於火刑架下，才使哥白尼的“日心說”廣為人知，並引發了一場哲學革命。恩格斯稱哥白尼的天文學說是向神學發出的挑戰書，是自然科學的獨立宣言。